(57)【要約】  磁気メモリ素子は、第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、第１磁化固定層群と、第１遮断層とを具備する。第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と磁化自由領域とを備える。非磁性層は、第１磁化自由層の近傍に設けられている。リファレンス層は、強磁性体から構成され、非磁性層上に設けられている。第１磁化固定層群は、第１磁化固定領域の近傍に設けられている。第１遮断層は、第１磁化固定層群と第１磁化固定領域との間、又は第１磁化固定層群内に挟まれて設けられている。
2011052475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の近傍に設けられた非磁性層と、
強磁性体から構成され、前記非磁性層上に設けられたリファレンス層と、
前記第１磁化固定領域の近傍に設けられた第１磁化固定層群と、
前記第１磁化固定層群と前記第１磁化固定領域との間、又は前記第１磁化固定層群内に挟まれて設けられた第１遮断層と
を具備する
磁気メモリ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第２磁化固定領域の近傍に設けられた第２磁化固定層群を更に具備する
磁気メモリ素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第２磁化固定層群は、前記第２磁化固定領域に隣接して設けられる
磁気メモリ素子。
【請求項４】
請求項２記載の磁気メモリ素子であって、
前記第２磁化固定層群と前記第２磁化固定領域、または前記第２磁化固定層群内に挟まれて設けられた前記第２遮断層を更に具備し、
前記第１磁化固定層群と前記第２磁化固定層群とは異なる構成を有する
磁気メモリ素子。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記第１磁化固定層群及び前記第２磁化固定層群は、前記第１磁化自由層に対して同じ側に設けられ、
前記非磁性層及び前記リファレンス層は、前記第１磁化自由層に対して前記第１磁化固定層群及び前記第２磁化固定層群と反対の側に設けられる
磁気メモリ素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
前記非磁性層は、前記磁化自由領域に隣接して設けられ、
前記リファレンス層は、前記非磁性層に隣接して前記磁化自由領域とは反対側に設けられ、
前記リファレンス層は垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される
磁気メモリ素子。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子であって、
基板平行平面内において前記磁化自由領域に対して第１方向にずれて設けられた第２磁化自由層を更に具備し、
前記第２磁化自由層及び前記リファレンス層は面内磁気異方性を有する強磁性体により構成され、
前記リファレンス層は前記第１の方向に略平行方向に固定された磁化を有する
磁気メモリ素子。
【請求項８】
行列上に配置された、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の複数の磁気メモリ素子と、
前記複数の磁気メモリ素子の各々へのデータの書き込み及び読み出しを制御する制御回路と
を具備する
磁気メモリ。
【請求項９】
磁気メモリ素子の初期化方法であって、
ここで、前記磁気メモリ素子は、
垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の近傍に設けられた非磁性層と、
強磁性体から構成され、前記非磁性層上に設けられたリファレンス層と、
前記第１磁化固定領域の近傍に設けられた第１磁化固定層群と、
前記第１磁化固定層群と前記第１磁化固定領域との間、又は前記第１磁化固定層群内に挟まれて設けられた第１遮断層と
を具備し、
前記磁気メモリ素子の初期化方法は、
前記磁気メモリ素子に、前記第１磁化自由層の上側平面に対して略垂直な向きに第１の磁界を印加するステップと、
前記磁気メモリ素子に、前記第１の磁界とは逆の向きに前記第１の磁界よりも絶対値の小さな第２の磁界を印加するステップと
を具備する
磁気メモリ素子の初期化方法。
【請求項１０】
請求項９記載の磁気メモリ素子の初期化方法であって、
前記第２の磁界の大きさが、前記第１磁化固定層群の少なくとも一部分が反転しない大きさに設定される
磁気メモリ素子の初期化方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の磁気メモリ素子の初期化方法であって、
前記第２の磁界を印加するステップの後、前記磁気メモリ素子に、前記第１の磁界と同じ向きに前記第１の磁界よりも絶対値の小さな第３の磁界を印加するステップを更に具備する
磁気メモリ素子の初期化方法。
【請求項１２】
磁気メモリの初期化方法であって、
ここで、前記磁気メモリは、行列上に配置された複数の磁気メモリ素子を具備し、
前記複数の磁気メモリ素子の各々は、
垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える第１磁化自由層と、
前記第１磁化自由層の近傍に設けられた非磁性層と、
強磁性体から構成され、前記非磁性層上に設けられたリファレンス層と、
前記第１磁化固定領域の近傍に設けられた第１磁化固定層群と、
前記第１磁化固定層群と前記第１磁化固定領域との間、又は前記第１磁化固定層群内に挟まれて設けられた第１遮断層と
を備え、
前記磁気メモリの初期化方法は、
前記複数の磁気メモリ素子に、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の磁気メモリ素子の初期化方法を実行するステップを具備する
磁気メモリの初期化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその初期化方法に関する。本発明は、特に磁壁移動を利用し、垂直磁気異方性を有する材料により構成された磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその初期化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして動作することから一部で実用化が始まり、またより汎用性を高めるための開発が行われている。ＭＲＡＭでは記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させて情報を記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されているが、いずれも電流を使う点では共通している。ＭＲＡＭを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要であり、非特許文献１（Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，“ＭＲＡＭ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｏｖｅｒ  ５００−ＭＨｚ  ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．４２，ｐ．８３０（２００７））によれば０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。これは書き込み電流が０．２ｍＡ程度まで低減されると、非特許文献１で提案されている２Ｔ−１ＭＴＪ（ｔｗｏ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ−ｏｎｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）回路構成において最小レイアウトが可能となり、既存の揮発性メモリと同等以上のコストパフォーマンスを実現できるためである。【０００３】
ＭＲＡＭへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なのは、磁性記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁場によって磁性記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法である。この方法は磁場による磁化反転となるため、原理的には１ナノ秒以下での書き込みが可能であり、高速ＭＲＡＭを実現する上では好適である。しかしながら熱安定性、外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングするための磁場は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度となり、このような磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合、チップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大するため、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力で劣ることになる。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流はさらに増大してしまい、スケーリングの点でも好ましくない。【０００４】
近年このような問題を解決する手段として、以下の２つの方法が提案されている。一つ目はスピン注入磁化反転方式である。これは反転可能な磁化を有する第１の磁性層（磁化自由層）と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層（リファレンス層）から構成された積層膜において、第２の磁性層（リファレンス層）と第１の磁性層（磁化自由層）の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層（磁化自由層）中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層（磁化自由層）の磁化を反転する方法である。読み出しの際には第１の磁性層（磁化自由層）と第２の磁性層（リファレンス層）の間で発現される磁気抵抗効果を利用する。従ってスピン注入磁化反転方式を用いたＭＲＡＭは２端子の素子となる。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こることから、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。しかしながら、一般的に第１の磁性層（磁化自由層）と第２の磁性層（リファレンス層）の間には絶縁層が設けられ、書き込みの際には比較的大きな電流をこの絶縁層に流さなければならず、書き換え耐性や信頼性が課題となる。また、書き込みの電流経路と読み出しの電流経路が同じになることから、読み出しの際の誤書き込みも懸念される。このようにスピン注入磁化反転はスケーリング性には優れるものの、実用化にはいくつかの障壁がある。【０００５】
一方で二つ目の方法である電流誘起磁壁移動現象を利用した磁化反転方法は、スピン注入磁化反転の抱える上述のような問題を解決することができる。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは例えば特許文献１（特開２００５−１９１０３２号公報）で開示されている。電流誘起磁壁移動現象を利用したＭＲＡＭは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層（磁化自由層）において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定されている。このような磁化配置のとき、第１の磁性層内には磁壁が導入される。ここで、非特許文献２（Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗｉｒｅｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９２，ｐ．０７７２０５，（２００４））で報告されているように、磁壁を貫通する方向に電流を流したとき、磁壁は伝導電子の方向に移動することから、第１の磁性層（磁化自由層）内に電流を流すことにより書き込みが可能となる。情報を読み出す際には、磁壁が移動する領域に設けられる磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を用い、磁気抵抗効果により読み出しを行う。従って、電流誘起磁壁移動方式を利用したＭＲＡＭは３端子の素子となり、上述の非特許文献１で提案されている２Ｔ−１ＭＴＪ構成とも整合する。電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。これに加えて、電流誘起磁壁移動を利用したＭＲＡＭ素子では、書き込み電流が磁気トンネル接合中の絶縁層を流れることはなく、また書き込み電流経路と読み出し電流経路は別となるため、スピン注入磁化反転で挙げられるような上述の問題は解決されることになる。【０００６】
また非特許文献２では電流誘起磁壁移動に必要な電流密度として１×１０１８［Ａ／ｃｍ２］程度を要している。この場合、例えば磁壁移動の起こる層（磁化自由層）の幅を１００ｎｍ、膜厚を１０ｎｍとした場合の書き込み電流は１ｍＡとなる。これは前述の書き込み電流に関する条件を満たすことができない。一方で、非特許文献３（Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｒｉｖｅｎ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ  ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ  ｗｉｔｈ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１０３，ｐ．０７Ｅ７１８，（２００８））で述べられているように、電流誘起磁壁移動が起こる強磁性層（磁化自由層）として垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって、書き込み電流を十分小さく低減できることが報告されている。このようなことから、電流誘起磁壁移動を利用してＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層（磁化自由層）としては垂直磁気異方性を有する強磁性体を用いることが好ましいと言える。【０００７】
関連する技術として特開２００４−１５３２４８号公報（対応米国特許：ＵＳ７２１８４８４（Ｂ２））に磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気ヘッド並びに磁気再生装置が開示されている。この磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果膜と、一対の電極と、相分離層とを備える。磁気抵抗効果膜は、磁化方向が実質的に一方向に固定された第１の強磁性層と、磁化方向が外部磁界に応じて変化する第２の強磁性層と、前記第１及び第２の強磁性層の間に形成された中間層と、を有する。一対の電極は、前記磁気抵抗効果膜の膜面に対して略垂直な方向にセンス電流を通電可能とする、前記磁気抵抗効果膜に電気的に接続されている。相分離層は、数種の元素からなる合金が固相内分離した第１及び第２の相を有し、前記第１及び第２の相の一方は他方よりも酸素、窒素、フッ素、及び炭素よりなる群から選択された少なくとも一つの元素を高い濃度で含有する、前記一対の電極間に形成されている。【０００８】
また、特開２００５−２０９２５１号公報に磁気メモリの初期化方法が開示されている。この磁気メモリの初期化方法は、情報を磁性体の磁化状態によって保持する記憶層が、複数層の磁性層から成る磁気記憶素子と、互いに交差する第１の配線と第２の配線とを備え、前記第１の配線と前記第２の配線とが交差する交点付近に、それぞれ前記磁気記憶素子が配置されて成る磁気メモリに対して、前記第１の配線の電流のパルスと、前記第２の配線の電流のパルスとを、ほぼ同じ時刻で印加を停止することにより、各前記磁気記憶素子の前記記憶層の磁化状態を同じ状態に揃える。【０００９】
また、特開２００８−１４７４８８号公報に磁気抵抗効果素子及びＭＲＡＭが開示されている。この磁気抵抗効果素子は、磁化の向きが固定された少なくとも２つの第１磁化固定層と、第１平面上に形成され、磁化の向きが可変な磁化自由層と、非磁性層を介して前記磁化自由層に接続され、磁化の向きが固定された第２磁化固定層とを備え、前記２つの第１磁化固定層は、前記磁化自由層を挟んで前記第２磁化固定層と対向するように配置され、また、前記磁化自由層と磁気的に結合しており、前記２つの第１磁化固定層の磁化は共に、前記第１平面に直角な第１方向の成分を有し、データ書き込み時、書き込み電流が、前記第１平面内において、前記磁化自由層の一端から他端に流される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１９１０３２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３２４８号公報
【特許文献３】特開２００５−２０９２５１号公報
【特許文献４】特開２００８−１４７４８８号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｎ．Ｓａｋｉｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，“ＭＲＡＭ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｆｏｒ  Ｏｖｅｒ  ５００−ＭＨｚ  ＳｏＣ”，ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．４２，ｐ．８３０（２００７）．
【非特許文献２】Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅａｌ−Ｓｐａｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗｉｒｅｓ”，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９２，ｐ．０７７２０５，（２００４）．
【非特許文献３】Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｒｉｖｅｎ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ  ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  ｎａｎｏｓｔｒｉｐｓ  ｗｉｔｈ  ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１０３，ｐ．０７Ｅ７１８，（２００８）．
【非特許文献４】Ｔ．Ｋｏｙａｍａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｃｏ／Ｎｉ  Ｗｉｒｅ  ｗｉｔｈ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１，ｐ．１０１３０３，（２００８）．
【発明の概要】
【００１２】
ここで、情報の書き込み方法に電流誘起磁壁移動を利用し、かつ磁壁移動が起こる層が垂直磁気異方性を有する材料から構成されるＭＲＡＭを製造する場合、磁壁移動が起こる層（磁化自由層）は磁化が反平行に固定された二つの領域（磁化固定領域）と、磁壁移動が起こる領域（磁壁移動領域）とを有する必要がある。ここで磁化固定領域としては第１の方向に磁化が固定された第１磁化固定領域と第２の方向に磁化が固定された第２磁化固定領域とを有する必要がある。従って、当該ＭＲＡＭを製造する上では、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域の磁化を反平行方向に固定するプロセス（初期化）が必要となる。
【００１３】
この初期化を行うためには、外部磁場を用いることが考えられる。このとき、初期化が可能な磁場の大きさはある有限な範囲内（初期化マージン）に限定される。ここで、単純に第１磁化固定領域と第２磁化固定領域の磁気特性を変えただけでは、大きな初期化マージンを得ることは難しかった。大容量化、高歩留まり化のためには、この初期化マージンはなるべく大きなことが望ましく、また初期化を可能とする構成がなるべく容易に製造できることが好ましい。
【００１４】
本発明の目的は、情報の書き込み方法に電流誘起磁壁移動を利用し、かつ磁壁移動が起こる層が垂直磁気異方性を有する材料から構成されるＭＲＡＭにおいて、大きな初期化マージンが得られるような構造、及び初期化方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の磁気メモリ素子は、垂第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、第１磁化固定層群と、第１遮断層とを具備する。第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える。非磁性層は、第１磁化自由層の近傍に設けられている。リファレンス層は、強磁性体から構成され、非磁性層上に設けられている。第１磁化固定層群は、第１磁化固定領域の近傍に設けられている。第１遮断層は、第１磁化固定層群と第１磁化固定領域との間、又は第１磁化固定層群内に挟まれて設けられている。
【００１６】
本発明の磁気メモリは、行列上に配置された、上記の複数の磁気メモリ素子と、複数の磁気メモリ素子の各々へのデータの書き込み及び読み出しを制御する制御回路とを具備する。
【００１７】
本発明の磁気メモリ素子の初期化方法は、磁気メモリ素子に、第１磁化自由層の上側平面に対して略垂直な向きに第１の磁界を印加するステップと、磁気メモリ素子に、第１の磁界とは逆の向きに第１の磁界よりも絶対値の小さな第２の磁界を印加するステップとを具備する。ただし、磁気メモリ素子は、垂第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、第１磁化固定層群と、第１遮断層とを具備する。第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える。非磁性層は、第１磁化自由層の近傍に設けられている。リファレンス層は、強磁性体から構成され、非磁性層上に設けられている。第１磁化固定層群は、第１磁化固定領域の近傍に設けられている。第１遮断層は、第１磁化固定層群と第１磁化固定領域との間、又は第１磁化固定層群内に挟まれて設けられている。
【００１８】
本発明の磁気メモリの初期化方法は、複数の磁気メモリ素子に、上記の磁気メモリ素子の初期化方法を実行するステップを具備する。ここで、磁気メモリは、行列上に配置された複数の磁気メモリ素子を具備する。複数の磁気メモリ素子の各々は、垂第１磁化自由層と、非磁性層と、リファレンス層と、第１磁化固定層群と、第１遮断層とを具備する。第１磁化自由層は、垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域と第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域に接続する磁化自由領域とを備える。非磁性層は、第１磁化自由層の近傍に設けられている。リファレンス層は、強磁性体から構成され、非磁性層上に設けられている。第１磁化固定層群は、第１磁化固定領域の近傍に設けられている。第１遮断層は、第１磁化固定層群と第１磁化固定領域との間、又は第１磁化固定層群内に挟まれて設けられている。
【００１９】
本発明により、情報の書き込み方法に電流誘起磁壁移動を利用し、かつ磁壁移動が起こる層が垂直磁気異方性を有する材料から構成されるＭＲＡＭにおいて、大きな初期化マージンが得られる構造、及び初期化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の主要な部分の代表的な構造を模式的に示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の主要な部分の代表的な構造を模式的に示している。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の主要な部分の代表的な構造を模式的に示している。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の“０”、“１”それぞれのメモリ状態における磁化の状態の例を模式的に示している。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の“０”、“１”それぞれのメモリ状態における磁化の状態の例を模式的に示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を模式的に示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を模式的に示している。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を模式的に示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を模式的に示している。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａは、磁気メモリ素子の最も単純な構成の一部を模式的に示している。
【図７Ｂ】図７Ｂは、磁気メモリ素子の最も単純な構成における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図７Ｃ】図７Ｃは、磁気メモリ素子の最も単純な構成における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図７Ｄ】図７Ｄは、磁気メモリ素子の最も単純な構成における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図７Ｅ】図７Ｅは、磁気メモリ素子の最も単純な構成における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図７Ｆ】図７Ｆは、磁気メモリ素子の最も単純な構成における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の構造の一部を模式的に示している。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｃ】図８Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｄ】図８Ｄは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｅ】図８Ｅは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｆ】図８Ｆは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｇ】図８Ｇは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｈ】図８Ｈは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図８Ｉ】図８Ｉは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図８Ｊ】図８Ｊは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図９】図９は、本発明の実施の形態を適用した素子における磁化曲線が示されている。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第１の変形例の構造を模式的に示している。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第１の変形例の構造を模式的に示している。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例の構造を模式的に示している。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例の構造を模式的に示している。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例の構造を模式的に示している。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例の構造を模式的に示している。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例の構造を模式的に示している。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例の構造の一部を模式的に示している。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１３Ｄ】図１３Ｄは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１３Ｅ】図１３Ｅは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１３Ｆ】図１３Ｆは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１３Ｇ】図１３Ｇは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図１３Ｈ】図１３Ｈは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第３の変形例における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例の構造を模式的に示している。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例の構造の一部を模式的に示している。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｃ】図１５Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｄ】図１５Ｄは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｅ】図１５Ｅは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｆ】図１５Ｆは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｇ】図１５Ｇは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｈ】図１５Ｈは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｉ】図１５Ｉは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｊ】図１５Ｊは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。
【図１５Ｋ】図１５Ｋは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図１５Ｌ】図１５Ｌは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第４の変形例における第１磁化自由層と磁化固定層群からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第５の変形例の構造を模式的に示している。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第５の変形例の構造を模式的に示している。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第５の変形例の書き込み方法を模式的に示している。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第５の変形例の書き込み方法を模式的に示している。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の構造を模式的に示している。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の構造を模式的に示している
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の構造を模式的に示している。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の構造を模式的に示している。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の書き込み方法を模式的に示している。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の書き込み方法を模式的に示している。
【図２０Ａ】図２０Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の他の構造を模式的に示している。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の他の構造を模式的に示している。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の他の構造を模式的に示している。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の他の書き込み方法を模式的に示している。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第６の変形例の他の書き込み方法を模式的に示している。
【図２２Ａ】図２２Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第７の変形例の構造を模式的に示している。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第７の変形例の構造を模式的に示している。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第７の変形例の別の構造を模式的に示している。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第７の変形例の別の構造を模式的に示している。
【図２４Ａ】図２４Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第８の変形例の構造を模式的に示している。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第８の変形例の構造を模式的に示している。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第８の変形例の他の構造を模式的に示している。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第８の変形例の他の構造を模式的に示している。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第８の変形例の更に他の構造を模式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子、磁気メモリ、及びその初期化方法を説明する。本実施の形態に係る磁気メモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気メモリ素子を有している。
【００２２】
（構造）
まず、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の構成について説明する。図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の主要な部分の代表的な構造を模式的に示している。図１Ａはその斜視図を、図１Ｂはｘ−ｚ断面図を、図１Ｃはｘ−ｙ平面図をそれぞれ示している。なお、図に示されているｘ−ｙ−ｚ座標系において、ｚ軸は基板垂直方向を示し、ｘ−ｙ軸は基板平面に平行であるものとする。
【００２３】
本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０は第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５を具備する。図１Ｃは、第１磁化自由層１０の構造を模式的に示した平面図である。第１磁化自由層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。そして第１磁化自由層１０は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、及び磁化自由領域１２の３つの領域から構成される。第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂは実質的に一方向に固定された磁化を有する。また第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は互いに反平行方向に固定されている。図１Ｃの場合、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ＋ｚ方向、−ｚ方向に固定されているものとして描かれている。磁化自由領域１２の磁化は反転可能である。この場合＋ｚ方向及び−ｚ方向のいずれかの方向を向くことができる。
【００２４】
第１磁化自由層１０内の３つの領域が上述のような磁化構造であるとき、磁化自由領域１２の磁化方向に応じて、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、および第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界のいずれか一方に磁壁が形成される。図１Ｃの場合、磁化自由領域１２の磁化が＋ｚ方向のとき、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成され、磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向のとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成される。
【００２５】
また、図１Ａ〜図１Ｃの場合においては、第１磁化固定領域１１ａは磁化自由領域１２の一方の端部に隣接し、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の別の端部に隣接する。図１Ｃの例では、第１磁化固定領域１１ａは磁化自由領域１２の−ｘ方向側の端部に隣接し、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の＋ｘ方向側の端部に隣接している。
【００２６】
また、図１Ａ〜図１Ｃの場合においては、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０はこの順に積層して設けられる。リファレンス層４０は強磁性体から構成される。また非磁性層３０は非磁性体から構成され、好適には絶縁体から構成される。このとき、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０の３つの層の積層体によって磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が構成される。なお、非磁性層３０、及び非磁性層３０を介して第１磁化自由層１０に接続されるリファレンス層４０は、第１磁化自由層１０のうちの磁化自由領域１２に接続される。また非磁性層３０、リファレンス層４０の形状には任意性がある。
【００２７】
また、図１Ａ〜図１Ｃの場合においては、リファレンス層４０は好適には垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成され、かつ実質的に一方向に固定された磁化を有する。図１Ｂの場合、リファレンス層４０の磁化は＋ｚ方向に固定されている。また図示されていないが、リファレンス層４０は以下のような積層構造を有していてもよい。例えばリファレンス層４０は強磁性体、非磁性体、強磁性体の３層がこの順に積層された構造を有していてもよい。ここで、二つの強磁性体に挟まれた非磁性体は上下の強磁性体を反平行方向に磁気結合させる（積層フェリ結合させる）機能を有していることが好ましい。このような機能を有する非磁性体としてはＲｕが例示される。リファレンス層４０を、積層フェリ結合を有する積層構造にすることによって、外部への漏洩磁界を低減し、第１磁化自由層１０などのその他の層への磁気的な影響を低減することができる。これに加えて、リファレンス層４０には反強磁性体が隣接していてもよい。これは、反強磁性体を隣接させ、磁場中で熱処理を行うことによって界面の磁化方向を一方向に固定することができるためである。代表的な反強磁性体としてはＰｔ−Ｍｎが例示される。
【００２８】
磁化固定層群６０は強磁性体、または反強磁性体の少なくとも一方を含有する。磁化固定層群６０は第１磁化自由層１０の第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向け、またその磁化を一方向に固定する働きを有する。磁化固定層群６０は図１に示されるように第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂの二つの領域から構成されてもよい。ここで第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａに磁気的に結合して設けられており、第２磁化固定層群６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂに磁気的に結合して設けられている。なお、ここで言う磁気的な結合とは、交換結合による強い結合も含まれるし、静磁結合などによる弱い結合も含まれる。また、図１Ａ〜図１Ｃの例では第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂは強磁性体から構成され、第１磁化固定層群６０ａと第１磁化固定領域１１ａ、および第２磁化固定層群６０ｂと第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ強磁性的に結合しているものとして描かれている。
【００２９】
また、本実施の形態においては磁化固定層群６０に隣接して遮断層６５が設けられる。図１Ａ〜図１Ｃの場合においては、第１磁化固定層群６０ａと第１磁化自由層１０のうちの第１磁化固定領域１１ａの間に挟まれて第１遮断層６５ａが設けられる例が示されている。一般には遮断層６５は磁化固定層群６０と第１磁化自由層１０の間、或いは磁化固定層群６０内においてその中間に挟まるようにして設けられる。遮断層６５が設けられることによって、第１磁化自由層１０の第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けることができる。具体的な方法は後述される。
【００３０】
また、図には示されていないが、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ異なる外部の配線に接続され、またリファレンス層４０は別の外部の配線へと接続される。すなわち、当該磁気メモリ素子７０は３端子の素子となる。なお、第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０が電気的に接続して設けられている場合、第１磁化自由層１０が外部の配線に接続される経路上に磁化固定層群６０があってもよい。すなわち、図１の例の場合、第１磁化固定層群６０ａと第２磁化固定層群６０ｂがそれぞれ異なる外部の配線に接続されてもよい。
【００３１】
（メモリ状態）
次に、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子のメモリ状態について説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の“０”、“１”それぞれのメモリ状態における磁化の状態の例を模式的に示している。図２Ａは“０”状態における磁化の状態を、図２Ｂは“１”状態における磁化の状態をそれぞれ示している。なおここでは第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されているものとしている。
【００３２】
いま、図２Ａに示されるような“０”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は＋ｚ方向成分を有している。このとき磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂとの境界に磁壁ＤＷが形成される。一方図２Ｂに示されるような“１”状態においては、磁化自由領域１２の磁化は−ｚ方向成分を有している。このとき磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａとの境界に磁壁ＤＷが形成される。図２Ａ及び図２Ｂではリファレンス層４０の磁化は＋ｚ方向に固定されているものとして描かれている。このとき図２Ａに示される“０”状態、及び図２Ｂに示される“１”状態において、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、及びリファレンス層４０から形成されるＭＴＪの磁化配置は、それぞれ平行、反平行となる。従って、当該ＭＴＪに電流を通じたときにはそれぞれ低抵抗、高抵抗が実現される。なお、図２Ａ、図２Ｂで定義された磁化状態とメモリ状態（“０”、“１”）の間の対応には任意性があり、この限りではないことは明らかである。
【００３３】
（書き込み方法）
次に、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子への情報の書き込み方法について説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子への情報の書き込み方法を模式的に示している。なお、図３Ａ及び図３Ｂでは、簡単のために第１磁化自由層１０以外の層は省略されている。いま、図２Ａで定義された“０”状態において図３Ａに矢印Ｉｗｒｉｔｅで示された方向（＋ｘ方向）に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第１磁化自由層１０において第２磁化固定領域１１ｂから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルク（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）が働く。その結果、磁壁ＤＷはｘ軸の負方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、伝導電子は磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａとの境界よりもｘ軸の負の方向では減少する（第１磁化固定層群６０ａへも流れ込むため）。そのため、磁壁ＤＷは磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａとの境界で停止する。この状態は図２Ｂで定義された“１”状態に相当する。このようにして“１”書き込みを行うことができる。
【００３４】
また図２Ｂで定義された“１”状態において図３Ｂに矢印Ｉｗｒｉｔｅで示された方向に書き込み電流を導入する。このとき伝導電子は第１磁化自由層１０において第１磁化固定領域１１ａから磁化自由領域１２を経由して第１磁化固定領域１１ａへと流れる。このとき第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に形成された磁壁ＤＷにはスピントランスファートルクが働く。その結果、磁壁ＤＷはｘ軸の正方向に移動する。すなわち電流誘起磁壁移動が起こる。ここで、伝導電子は磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂとの境界よりもｘ軸の正の方向では減少する（第２磁化固定層群６０ｂへも流れ込むため）。そのため、磁壁ＤＷは磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂとの境界で停止する。この状態は図２Ａで定義された“０”状態に相当する。このようにして“０”書き込みを行うことができる。なお、“０”状態における“０”書き込み、及び“１”状態における“１”書き込みを行った場合には状態の変化は起こらない。すなわちオーバーライトが可能である。
【００３５】
（読み出し方法）
次に、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子からの情報の読み出し方法を模式的に示している。ここでは、図１に示された構成を有する磁気メモリ素子７０からの情報の読み出し方法を示す。本実施の形態においては、主にトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｅｆｆｅｃｔ；ＴＭＲ  ｅｆｆｅｃｔ）を利用して情報の読み出しを行う。そのために第１磁化自由層１０（磁化自由領域１２）、非磁性層３０、リファレンス層４０から構成される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を貫通する方向に電流Ｉｒｅａｄを導入する。なお、このＩｒｅａｄの方向には任意性がある。
【００３６】
いま、図４Ａに示されるように、図２Ａで定義された“０”状態においてＩｒｅａｄを導入したとき、当該ＭＴＪにおいて磁化は平行状態となっているので、低抵抗が実現される。また、図４Ｂに示されるように、図２Ｂで定義された“１”状態においてＩｒｅａｄを導入したとき、当該ＭＴＪにおいて磁化は反平行状態となっているので、高抵抗が実現される。このようにして、当該磁気メモリ素子７０に格納された情報は抵抗値の差として検出することができる。
【００３７】
（回路構成）
次に、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０を有する磁気メモリセル８０に書き込み電流及び読み出し電流を導入するための回路構成について説明する。
図５は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリセルの１ビット分の回路の構成例を示している。図５に示される例では、磁気メモリ素子７０は３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、リファレンス層４０につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続されている。（第１磁化固定層群６０ａを経由して）第１磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬａに接続されている。（第２磁化固定層群６０ｂを経由して）第２磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続され、ソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。
【００３８】
データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、第１磁化自由層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。
【００３９】
データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定される。一方、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流が、ビット線ＢＬｂからトランジスタＴＲｂ及び磁気メモリ素子７０のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。これによって磁気抵抗効果を利用した読み出しが可能となる。
【００４０】
図６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ１１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を備えている。メモリセルアレイ１１０は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル８０を有している。磁気メモリセル８０の各々は、上述の磁気メモリ素子７０を有している。既出の図５で示されたように、各磁気メモリセル８０は、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されており、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ１３０は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されており、各ビット線をデータ書き込みあるいはデータ読み出しに応じた状態に設定する。コントローラ１４０は、データ書き込みあるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０のそれぞれを制御する。Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０及びコントローラ１４０は、データの書き込み及び読み出しを制御する制御回路と見ることができる。磁気メモリ９０は、ＭＲＡＭに例示される。
【００４１】
（材料）
次に、第１磁化自由層１０、非磁性層３０、リファレンス層４０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５に用いることのできる材料について説明する。
【００４２】
第１磁化自由層１０は前述の通り垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成されることが好ましい。具体的にはＦｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｐｄ合金、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ合金、Ｔｂ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｃｏ合金、Ｇｄ−Ｆｅ合金、Ｇｄ−Ｃｏ合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｒｅ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｒｕ−Ｐｔ合金、Ｃｏ−Ｗ合金などの合金系材料のほか、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｃｕ積層膜、Ｃｏ／Ａｇ積層膜、Ｃｏ／Ａｕ積層膜、Ｆｅ／Ｐｔ積層膜、Ｆｅ／Ｐｄ積層膜、Ｆｅ／Ａｕ積層膜などの交互積層膜が例示される。特にこの中で発明者らはＣｏ／Ｎｉ積層膜を用いて制御性の高い電流誘起磁壁移動が実現できることを実験的に確認しており（非特許文献４：Ｔ．Ｋｏｙａｍａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｃｏ／Ｎｉ  Ｗｉｒｅ  ｗｉｔｈ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．１，ｐ．１０１３０３，（２００８））、この点でＣｏ／Ｎｉ積層膜が第１磁化自由層１０の好適な材料として挙げられる。
【００４３】
非磁性層３０は絶縁性材料により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｔｉ−Ｏなどが例示される。
【００４４】
リファレンス層４０は例えば垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。このときリファレンス層４０に用いることのできる材料は第１磁化自由層１０に用いることのできる材料として例示したものと重複するので省略する。ただし、リファレンス層４０は磁化が安定して固定されていることが求められるので、なるべくハードな磁性体であることが好ましい。この点でＦｅ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｄ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜、Ｃｏ／Ｐｄ積層膜などが好適である。またその磁化方向は一方向に固定されている必要があり、さらに外部への漏洩磁界が小さいことが好ましい。このために前述のように、積層フェリ結合を有する積層構造とすることが好ましい。すなわち、リファレンス層４０は、例えば強磁性体／Ｒｕ／強磁性体というような積層構成を有することが好適である。またリファレンス層４０は面内磁気異方性を有する強磁性体から構成されてもよい。この場合にはあらゆる磁性体を用いることができる。代表的にはＣｏ−Ｆｅなどが挙げられる。なお、リファレンス層４０に面内磁気異方性を有する材料を用いた場合の実施の形態は、後に第６の変形例として説明される。
【００４５】
磁化固定層群６０は強磁性体または反強磁性体を含有する。このうち図１に示されるように磁化固定層群６０が第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂから構成され、第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂがいずれも単一の強磁性体から構成される場合の例として、その材料は垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成されてもよい。具体的に用いることのできる材料は、第１磁化自由層１０で例示した材料と重複するので省略する。また、磁化固定層群６０が反強磁性体から構成される場合の用いることのできる材料としては、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｏなどが例示される。
【００４６】
遮断層６５には様々な材料を用いることができる。遮断層６５は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０、または磁化固定層群６０内の強い交換結合を弱めることができるように設計されればよく、用いる材料は制約されない。発明者は遮断層６５の材料としてＰｔを用いることで所望の特性を得ることができた。また、遮断層６５には強磁性体を用いることもできる。具体的には、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＺｒＢなどが例示される。これらの材料は磁化自由層１０の下地層としての機能も果たし得ることから、特に図１４（後述）に示されるような構成において有効である。
【００４７】
（初期化方法）
次に、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化方法について図を参照して説明する。本実施の形態においては、第１磁化自由層１０は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２から構成され、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂは互いに反平行方向に固定された磁化を有する。従って、本実施の形態における磁気メモリ素子７０の製造工程においては、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向けるプロセスが必要となる。以下、このプロセスを初期化と言うことにする。
【００４８】
図７Ａ〜図７Ｆは、磁壁移動を用いて情報の書き込みを行う磁気メモリ素子の最も単純な構成における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。図７Ａはその「最も単純な構成」を模式的に示した断面図である。なお、図７Ａ〜図７Ｅでは、簡単のために、第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０のみが図示され、それ以外の構成は省略されている。図７Ａ〜図７Ｆに示される例においては、第１磁化自由層１０は第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２から構成され、第１磁化固定領域１１ａが第１磁化固定層群６０ａと、第２磁化固定領域１１ｂが第２磁化固定層群６０ｂとそれぞれ強磁性的に結合しているものとして描かれている。なおここでは、第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂの反転磁界は第１磁化自由層１０に比べて十分大きいものとする。さらにここでは、第１磁化固定層群６０ａの反転磁界は第２磁化固定層群６０ｂの反転磁界に比べて小さいものとする。
【００４９】
図７Ａに示された構造に対する最も単純なメモリ状態の初期化方法について図７Ｂ〜図７Ｆを用いて説明する。図７Ｂ〜図７Ｅは各ステップにおける磁化構造を模式的に示している。図７Ｆは第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【００５０】
図７Ｂ〜図７Ｆに示される初期化プロセスにおいては、初めに一方向に十分大きな磁界が印加される。いまこの磁界の方向を＋ｚ方向とする。このとき、全ての部分の磁化は＋ｚ方向を向く。このときの状態が図７Ｂに示されている。次に、初めに印加した方向とは逆方向に磁界を印加していく。今の場合、この方向は−ｚ方向となる。このとき、図７Ｃに示されるように、初めに反転磁界のもっとも小さい磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向に反転する。このとき第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界の両方に磁壁が形成される。
【００５１】
ここで−ｚ方向の磁界を更に大きくしていく。このとき次に反転磁界の小さな領域である第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａからなる部分で磁壁移動が起こり、この領域も−ｚ方向に反転する。このときの状態が図７Ｄに示されている。第１磁化自由層１０内に単一の磁壁が導入された初期化後の状態が実現されている。なお、ここで−ｚ方向の磁界をさらに大きくしていくと、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂからなる部分で磁壁移動が起こり、この領域も−ｚ方向に反転する。このときの状態が図７Ｅに示されている。この場合には磁壁は存在しない。
【００５２】
以上の図７Ｂから図７Ｅまでの磁化構造の推移が図７Ｆに模式的に示されている。ただし、図７Ｆにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）の部分は、図７Ｃに示すように磁化自由領域１２が磁化反転したことを示している。（２）の部分は、図７Ｄに示すように第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａが更に磁化反転したことを示している。（３）の部分は、図７Ｅに示すように第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂが更に磁化反転したことを示している。この系における初期化マージンは第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａからなる部分で磁壁移動が起こる磁界から、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂからなる部分で磁壁移動が起こる磁界までの範囲となる。その範囲は図７ＦでＤ（（２）と（３）との間）として示されている。
【００５３】
ここで図７Ｂ〜図７Ｆに示されたような初期化方法の場合、以下に述べるような問題点がある。この初期化方法においては、上述したように、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａからなる部分で磁壁移動が起こる磁界から、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂからなる部分で磁壁移動が起こる磁界までの範囲が初期化マージンとなる。ここで、初期化の成功率を高めるためには、この初期化マージンはなるべく大きいことが望ましい。しかし、図７Ｂ〜図７Ｆに示された方法では、第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａからなる部分と第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂからなる部分の間での磁壁移動磁界に大きな差を付けることは一般的には難しい。よって大きな初期化マージンを実現することは困難となる。
【００５４】
本実施の形態おいては、少なくとも一方の磁化固定層群に遮断層６５が設けられることでこの問題が解決される。そのメカニズムを、図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｊは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子における磁化状態の初期化方法を模式的に示している。図８Ａは本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の構造の一部を模式的に示している。なお、図８Ａ〜図８Ｈでは簡単のために第１磁化自由層１０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５のみが描かれており、他の部分は省略されている。本実施の形態においては、第２磁化固定層群６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂと強磁性的に強く結合しており、一方第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａと強磁性的には結合しているが、間に遮断層６５が挿入されていることによってその結合は弱められている。
【００５５】
このような系におけるメモリ状態の初期化方法について、図８Ｂ〜図８Ｊを用いて説明する。図８Ｂ〜図８Ｈは各ステップにおける磁化構造を模式的に示している。図８Ｉ、図８Ｊは第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【００５６】
図８Ｂ〜図８Ｊに示される初期化プロセスにおいては、初めに一方向に十分大きな磁界が印加される。いまこの磁界の方向を＋ｚ方向とする。すなわち、第１磁化自由層１０の上側平面（又は下側平面）に略垂直な方向であって上向きの方向である。ここで、略垂直とは、測定誤差や設定誤差を含んで実質的に垂直なことであり、装置の設定上の制約や測定誤差等により垂直から多少のずれがあっても構わない。このとき、全ての部分の磁化は＋ｚ方向を向く。このときの状態が図８Ｂに示されている。次に、初めに印加した方向とは逆方向に磁界を印加していく。今の場合、この方向は−ｚ方向となる。このとき、図８Ｃに示されるように、初めに反転磁界の最も小さい磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向に反転する。このとき第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界の両方に磁壁が形成される。
【００５７】
ここで−ｚ方向の磁界を更に大きくしていく。このとき次に反転磁界の小さな領域である第１磁化固定領域１１ａのみにおいて磁壁移動が起こり、この領域も−ｚ方向に反転する。このときの状態が図８Ｄで示されている。図８Ｄからわかるように磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界のみに磁壁が形成される。なお、ここで第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａとの間の磁気結合が弱いため、反転は起こらない。次に更に−ｚ方向の磁界を大きくしていく。このとき次に反転の起こりやすい第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂからなる領域が反転する。このときの状態が図８Ｅで示されている。そして更に−ｚ方向の磁界を大きくすれば最終的には第１磁化固定層群６０ａの磁化も反転し、全ての磁化が−ｚ方向を向くことになる。このときの状態が図８Ｆで示されている。この場合には磁壁は存在しない。
【００５８】
以上に述べた図８Ｂから図８Ｆまでの磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図８Ｉである。ただし、図８Ｉにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）の部分は、図８Ｃに示すように磁化自由領域１２が磁化反転したことを示している。（２）の部分は、図８Ｄに示すように第１磁化固定領域１１ａが更に磁化反転したことを示している。（３）の部分は、図８Ｅに示すように第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂが更に磁化反転したことを示している。（４）の部分は、図８Ｆに示すように第１磁化固定層群６０ａが更に磁化反転したことを示している。図８Ｂ〜図８Ｆに示された各状態は図８Ｉの磁化曲線におけるＢ〜Ｆで示された部分に対応する。なお、図８Ｉは当該磁気メモリ素子７０の磁化曲線のフルループを表している。
【００５９】
ここで本実施の形態に関わる磁気メモリ素子７０の初期化方法においては、磁化曲線のマイナーループを利用することを特徴とする。具体的なステップが以下に説明される。いま図８Ｅに示されるような状態が形成された後、−ｚ方向への磁界の印加をやめ、＋ｚ方向への磁界を印加する。このとき、第１磁化固定領域１１ａは第１磁化固定層群６０ａと弱く強磁性的に結合しているので、この領域が最初に＋ｚ方向に反転する。このときの状態が図８Ｇで示されている。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２との境界に磁壁が形成される。次に＋ｚ方向の磁界を大きくしていくと、磁化自由領域１２において磁壁移動が起こり、磁化自由領域１２も＋ｚ方向に反転する。このときの状態が図８Ｈで示されている。これによって磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界に磁壁が形成されることになる。図８Ｂ〜図８Ｅ、図８Ｇ〜図８Ｈに示された例においては以上のステップによって磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化を行う。なお、＋ｚ方向の磁界を更に大きくすると、再び図８Ｂに示されるような全ての領域が＋ｚ方向に磁化した状態となる。従って、本方法における初期化マージンは、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２が反転してから、第２磁化固定領域１１ｂと第２磁化固定層群６０ｂが反転するまでの磁界が初期化マージンとなる。
【００６０】
以上に述べたマイナーループを用いた初期化方法における磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図８Ｊである。ただし、図８Ｊにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）〜（３）の部分は、図８Ｉと同じである。（２）’の部分は、図８Ｇに示すように第１磁化固定領域１１ａが磁化反転したことを示している。（１）’の部分は、図８Ｈに示すように磁化自由領域１２が更に磁化反転したことを示している。図８Ｇ〜図８Ｈに示された各状態は図８Ｊの磁化曲線におけるＧ、Ｈで示された部分に対応する。
【００６１】
なお、本発明における初期化方法においては、遮断層６５を有する系において、マイナーループを用いて初期化を行うことが本質であり、ここで述べた各ステップは一例に過ぎず、他の方法も用いることができる。いくつかの例は後述される。
【００６２】
（効果）
次に、本実施の形態で得られる効果について説明する。
第１の効果として、初期化マージンの大きな垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭを製造できることが挙げられる。上述のように垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭにおいては、磁壁が移動する層である第１磁化自由層１０は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２から構成され、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行方向に向ける、いわゆる初期化というプロセスが必要であった。一般的にはこの初期化は外部磁場を用いて行うことが考えられるが、このとき用いる外部磁場の大きさとして許される範囲である初期化マージンは十分大きいことが好ましい。本実施の形態を用いることによって、この大きな初期化マージンを得ることができる。
【００６３】
また第２の効果として、垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭを容易に製造できることが挙げられる。垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭにおいては、第１磁化自由層１０のうちの第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化を反平行に向けるために、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂにそれぞれ第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂを隣接させることが考えられる。このような構成において初期化を実現するためには、第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂの磁気特性を異ならせる方法が考えられる。しかるに十分な初期化マージンが得られる程度にまで第１磁化固定層群６０ａと第２磁化固定層群６０ｂの磁気特性を異ならせることは一般的には難しい。ここで本実施の形態では第１磁化固定層群６０ａと第２磁化固定層群６０ｂの磁気特性を異ならせるのではなく、遮断層６５を用いて磁気結合の大きさをコントロールすることを特徴とする。このような構成は比較的容易に製造することができる。すなわち初期化マージンが大きくなるような垂直磁化磁壁移動ＭＲＡＭを容易に製造できると言える。
【００６４】
（実施例）
図９は、本発明の実施の形態を適用した素子における磁化曲線が示されている。なお、図９は約１億個の素子の平均的な磁化曲線である。横軸は磁界、縦軸は磁化である。ここでは第１磁化自由層１０にはＣｏ／Ｎｉ積層膜を、第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂにはＣｏ／Ｐｔ積層膜を、そして遮断層６５にはＰｔを用いた。図９においては、メジャーループ、及びマイナーループが示されている。図９に示されたメジャーループ、マイナーループはそれぞれ図８Ｉ、図８Ｊとほぼ同一である。また、この場合の初期化マージンは約１５００Ｏｅとなっている。この値は、メガビット級のＭＲＡＭを製造する上で十分大きな値ということができる。
【００６５】
［変形例］
以上で説明された磁気メモリ素子７０は、以下に説明される変形例を用いて実施してもよい。
【００６６】
（第１の変形例）
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第１の変形例の構造を模式的に示している。第１の変形例は遮断層６５の位置に関する。
【００６７】
図１で示された実施の形態においては、遮断層６５として第１遮断層６５ａが、第１磁化固定層群６０ａと第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａとに挟まれるようにして設けられていた。しかし、本実施の形態においては、遮断層６５の位置には任意性がある。図１０Ａ、図１０Ｂはその変形例を示している。なお、図１０では簡単のために第１磁化自由層１０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５のみが描かれており、他の部分は省略されている。
【００６８】
図１０Ａは第１の変形例の一例を示している。第１磁化固定層群６０は、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２とから構成されている。第１遮断層６５ａは第１−１磁化固定層群６５ａ−１と第１−２磁化固定層群６５ａ−２との間に挟まれるようにして設けられている。この場合、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２との間に第１遮断層６５ａが設けられることで、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２とは磁気的に弱く結合するため、図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明されたような初期化方法によって磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することができる。
【００６９】
図１０Ｂは第１の変形例の他の一例を示している。第１磁化固定層群６０は、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２とから構成されている。第１遮断層６５ａは、第１−１遮断層６５ａ−１と第１−２遮断層６５ａ−２とから構成されている。第１−１遮断層６５ａ−１は、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２との間に挟まれるようにして設けられている。第１−２遮断層６５ａ−２は、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１磁化自由層１０中の第１磁化固定層群１１ａとの間に挟まれて設けられている。この場合にも第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２、及び第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１磁化固定領域１１ａは磁気的に弱く結合するため、図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明されたような初期化方法によって磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することができる。
【００７０】
以上に説明されたように、本実施の形態においては、遮断層６５は磁化固定層群６０と第１磁化自由層１０の間、或いは磁化固定層群６０内においてその中間に挟まるようにして設けられればよく、その位置や数には任意性がある。
【００７１】
（第２の変形例）
図１１Ａ〜図１１Ｃは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子の第２の変形例の構造を模式的に示している。第２の変形例は磁化固定層群６０の位置に関する。
【００７２】
図１に示された実施の形態においては、磁化固定層群６０は第１磁化自由層１０に対してｚ軸の負方向、すなわち基板側に設けられる例が示されている。しかし、本実施の形態においては磁化固定層群６０の位置には任意性がある。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃはその変形例を示している。なお、図１１Ａ〜図１１Ｃでは簡単のために第１磁化自由層１０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５のみが描かれており、他の部分は省略されている。
【００７３】
図１１Ａは第２の変形例の一例を示している。磁化固定層群６０が第１磁化自由層１０に対してｚ軸の正の方向、すなわち基板と反対側に設けられている。また図１１Ａに示される例においては、第１遮断層６５ａが第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａと第１磁化固定層群６０ａとに挟まれて設けられている。一方第２磁化固定層群６０ｂは第１磁化自由層１０中の第２磁化固定層群１１ｂに隣接して設けられている。図１１Ａに示される例においても、図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明されたような方法と全く同じ初期化方法によって磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することができる。
【００７４】
図１１Ｂは第２の変形例の他の一例を示している。磁化固定層群６０が第１磁化自由層１０に対して上下に設けられている。また図１１Ｂにおいては、第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに挟まれて第１遮断層６５ａが設けられている。第１−２磁化固定層群６０ａ−２、第２−１磁化固定層群６０ｂ−１、第２−２磁化固定層群６０ｂ−２はそれぞれ第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、第２磁化固定領域１１ｂに隣接して設けられている。図１１Ｂに示される例においても、図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明されたような方法と全く同じ初期化方法によって磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することができる。
【００７５】
また図１１Ｃは第２の変形例の他の一例を示している。図１１Ｃにおいては、磁化固定層群６０は第１磁化自由層１０に対してｚ軸の正の方向、すなわち基板と反対側に設けられている。また第１−２磁化固定層群６０ａ−２が第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられ、その上に第１遮断層６５ａ、及び第１−１磁化固定層群６０ａ−１がこの順に設けられている。すなわち第１遮断層６５ａは第１−１磁化固定層群６０ａ−１と第１−２磁化固定層群６０ａ−２に挟まれるようにして設けられている。このような構造においても図８Ａ〜図８Ｊを用いて説明されたような方法と全く同じ初期化方法によって磁気メモリ素子７０のメモリ状態を初期化することができる。
【００７６】
以上に説明されたように、本実施の形態においては、磁化固定層群６０は第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂに磁気的に影響を及ぼすように設けられればよく、その位置には任意性がある。
【００７７】
（第３の変形例）
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第３の変形例の構造を模式的に示している。第３の変形例は磁化固定層群６０の数の関する。
【００７８】
図１に示された実施の形態においては、磁化固定層群６０としては第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａの近傍に第１磁化固定層群６０が設けられ、第２磁化固定領域１１ｂの近傍に第２磁化固定層群６０ｂが設けられ、合計で２つの磁化固定層群が設けられる例が示されている。しかし、本実施の形態においては磁化固定層群６０の数には任意性がある。図１２Ａ、図１２Ｂはその変形例を示している。なお、図１２Ａ、図１２Ｂでは簡単のために第１磁化自由層１０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５のみが描かれており、他の部分は省略されている。
【００７９】
図１２Ａは第３の変形例の一例を示している。図１２Ａに示される例においては、磁化固定層群６０は第１磁化固定層群６０ａの一つから構成される。第１磁化固定層群６０ａは第１遮断層６５ａを介して第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに接続され、弱く磁気的に結合している。
【００８０】
また図１２Ｂは第３の変形例の他の一例を示している。図１２Ｂに示される例においては、磁化固定層群６０は第１−１磁化固定層群６０ａ−１、第１−２磁化固定層群６０ａ−２、及び第２−１磁化固定層群６０ｂ−１の合計３つから構成される。第１−１磁化固定層群６０ａ−１は第１遮断層６５ａを介して第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに接続され、弱く磁気的に結合している。第１−２磁化固定層群６０ａ−２は第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられ、第２−１磁化固定層群６０ｂ−１は第１磁化自由層１０中の第２磁化固定領域１１ｂに隣接して設けられる。
【００８１】
図１３Ａ〜図１３Ｈは、図１２Ａに示された磁化固定層群６０が一つから構成される系における初期化方法を模式的に示している。図１３Ａは図１２Ａで示された磁気メモリ素子７０の構造の一部を模式的に示している。図１３Ａにおいて、第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａと強磁性的には結合しているが、間に遮断層６５が挿入されていることによってその結合は弱められている。このような系における初期化方法について、図１３Ｂ〜図１３Ｈを用いて説明する。図１３Ｂ〜図１３Ｆは各ステップにおける磁化構造を模式的に示している。図１３Ｇ、図１３Ｈは第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【００８２】
図１３Ｂ〜図１３Ｆに示される初期化プロセスにおいては、初めに一方向に十分大きな磁界が印加される。いまこの磁界の方向を＋ｚ方向とする。このとき、全ての部分の磁化は＋ｚ方向を向く。このときの状態が図１３Ｂに示されている。次に、初めに印加した方向とは逆方向に磁界を印加していく。今の場合、この方向は−ｚ方向となる。このとき、図１３Ｃに示されるように、初めに反転磁界の最も小さい磁化自由領域１２、及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化が−ｚ方向に反転する。このとき第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁が形成される。
【００８３】
ここで−ｚ方向の磁界を更に大きくしていく。このとき次に反転磁界の小さな領域である第１磁化固定領域１１ａのみにおいて磁壁移動が起こり、この領域も−ｚ方向に反転する。このときの状態が図１３Ｄで示されている。図１３Ｄにおいては第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａとの間の磁気結合が弱いため、反転は起こらない。次に、更に−ｚ方向の磁界を大きくすれば最終的には第１磁化固定層群６０ａの磁化も反転し、全ての磁化が−ｚ方向を向くことになる。このときの状態が図１３Ｅで示されている。
【００８４】
以上に述べた図１３Ｂから図１３Ｄまでの磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図１３Ｇである。ただし、図１３Ｇにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）の部分は、図１３Ｃに示すように磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂが磁化反転したことを示している。（２）の部分は、図１３Ｄに示すように第１磁化固定領域１１ａが更に磁化反転したことを示している。（３）の部分は、図１３Ｅに示すように第１磁化固定層群６０ａが更に磁化反転したことを示している。図１３Ｂ〜図１３Ｅに示された各状態は図１３Ｇの磁化曲線におけるＢ〜Ｅで示された部分に対応する。なお、図１３Ｇは当該磁気メモリ素子７０の磁化曲線のフルループを表している。
【００８５】
ここで本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の初期化方法においては、磁化曲線のマイナーループを利用することを特徴とする。図１３Ａに示される系における具体的なステップは以下に説明される。いま図１３Ｄに示されるような状態が形成された後、−ｚ方向への磁界を小さくしていく。このとき、第１磁化固定領域１１ａは第１磁化固定層群６０ａと弱く強磁性的に結合しているので、この領域が最初に＋ｚ方向に反転する。このときの状態が図１３Ｆで示されている。このとき、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２との境界に磁壁が形成されることになる。図１３Ｂ〜図１３Ｄ、図１３Ｆに示された例においてはこのようにして磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化を行う。なお、＋ｚ方向の磁界を更に大きくすると、ある磁界において磁化自由領域１２、及び第２磁化固定領域１２において磁壁移動が起こり、再び図１３Ｂに示されるような全ての領域が＋ｚ方向に磁化した状態となる。従って、本方法における初期化マージンは、第１磁化固定領域１１ａが反転してから、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂが反転するまでの磁界となる。
【００８６】
以上に述べたマイナーループを用いた初期化方法における磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図１３Ｈである。ただし、図１３Ｈにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）〜（２）の部分は、図１３Ｇと同じである。（２）’の部分は、図１３Ｆに示すように第１磁化固定領域１１ａが磁化反転したことを示している。（１）’の部分は、図１３Ｂに示すように磁化自由領域１２及び第２磁化固定領域１１ｂが更に磁化反転したことを示している。図１３Ｆに示された状態は図１３Ｈの磁化曲線におけるＦで示された部分に対応する。
【００８７】
この場合には初期化マージンを大きくすることは難しいが、図１３Ｈに示される磁化曲線のマイナーループにおいて、図１３Ａに示される系における（１）’で示された磁化自由領域１２及び第２磁化固定領域１１ｂにおいて磁壁移動が起こる磁場は正（Ｈ＞０）であり、一方で（２）’で示された第１磁化固定領域１１ａで磁化反転が起こる磁場は、第１遮断層６５ａを介した第１磁化固定層群６０ａと第１磁化固定領域１１ａの間での磁気結合を調整することで負にすることができる（Ｈ＜０）。従って、その負の磁場を０に戻すことによって、容易に第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化が反平行方向を向いた初期状態（図１３Ｆの状態）を形成することができる。
【００８８】
以上に説明されたように、本実施の形態においては、磁化固定層群６０は第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａまたは第２磁化固定領域１１ｂの少なくとも一方に磁気的に影響を及ぼすように設けられればよく、その数には任意性がある。
【００８９】
（第４の変形例）
図１４は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第４の変形例の構造を模式的に示している。第４の変形例は遮断層６５の数に関する。
【００９０】
図１で示された実施の形態においては、遮断層６５として単一の第１遮断層６５ａが設けられる例が示されている。しかし、本実施の形態においては、遮断層６５の数には任意性がある。図１４はその変形例を示している。なお、図１４では簡単のために第１磁化自由層１０、磁化固定層群６０、及び遮断層６５のみが描かれており、他の部分は省略されている。
【００９１】
図１４は第３の変形例の一例を示している。図１４に示される例においては、遮断層６５としては、第１遮断層６５ａと第２遮断層６５ｂの二つが設けられる。そして第１磁化自由層１０中の第１磁化固定層群１１ａに隣接して第１遮断層６５ａが設けられ、第２磁化固定層群１１ｂに隣接して第２遮断層６５ｂが設けられ、さらに第１遮断層６５ａ、第２遮断層６５ｂに隣接して、第１磁化自由層１０とは反対側に第１磁化固定層群６０ａ、第２磁化固定層群６０ｂがそれぞれ設けられる。このとき、第１磁化固定層群６０ａは第１遮断層６５ａを介して第１磁化自由層１０中の第１磁化固定領域１１ａに接続され、弱く磁気的に結合しており、第２磁化固定層群６０ｂは第２遮断層６５ｂを介して第１磁化自由層１０中の第２磁化固定領域１１ｂに接続され、弱く磁気的に結合している。
【００９２】
図１５Ａ〜図１５Ｌは図１４に示された遮断層６５が二つある構成における初期化方法を模式的に示している。図１５Ａは図１４で示された磁気メモリ素子７０の構造の一部を模式的に示している。図１５Ａにおいて、第１磁化固定層群６０ａは第１磁化固定領域１１ａと強磁性的には結合しているが、間に第１遮断層６５ａが挿入されていることによってその結合は弱められており、また第２磁化固定層群６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂと強磁性的には結合しているが、間に第２遮断層６５ｂが挿入されていることによってその結合は弱められている。このような系における初期化方法について、図１５Ｂ〜図１５Ｌを用いて説明する。図１５Ｂ〜図１５Ｊは各ステップにおける磁化構造を模式的に示している。図１５Ｋ、図１５Ｌは第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化曲線を模式的に示している。
【００９３】
図１５Ｂ〜図１５Ｌに示される初期化プロセスにおいては、初めに一方向に十分大きな磁界が印加される。いまこの磁界の方向を＋ｚ方向とする。このとき、全ての部分の磁化は＋ｚ方向を向く。このときの状態が図１５Ｂに示されている。次に、初めに印加した方向とは逆方向に磁界を印加していく。今の場合、この方向は−ｚ方向となる。このとき、図１５Ｃに示されるように、初めに反転磁界の最も小さい磁化自由領域１２の磁化が−ｚ方向に反転する。このとき第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２との境界、及び第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２との境界に磁壁が形成される。
【００９４】
ここで−ｚ方向の磁界を更に大きくしていく。このとき次に反転磁界の小さな領域である第１磁化固定領域１１ａ、または第２磁化固定領域１１ｂのうちの一方において磁壁移動が起こり、続いて、第１磁化固定領域１１ａ、または第２磁化固定領域１１ｂのうちの他方において磁壁移動が起こる。図１５Ｄ、図１５Ｅは、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの順で磁壁移動が起こる場合における、各ステップでの磁化の状態を示している。なお、図１５Ｄ、図１５Ｅにおいては第１磁化固定層群６０ａ、及び第２磁化固定層群６０ｂは第１磁化固定領域１１ａ、及び第２磁化固定領域１１ｂとの間の磁気結合が弱いため、反転は起こらない。次に更に−ｚ方向の磁界を大きくすれば、第１磁化固定層群６０ａ、または第２磁化固定層群６０ｂのうちの一方の磁化が反転し（図１５Ｆ）、続いて第１磁化固定層群６０ａ、または第２磁化固定層群６０ｂのうちの他方の磁化も反転し（図１５Ｇ）、全ての磁化が−ｚ方向を向くことになる。なお、ここでは第１磁化固定層群６０ａの反転磁界が第２磁化固定層群６０ｂの反転磁界より小さいものと仮定されている。
【００９５】
以上に述べた図１５Ｂから図１５Ｇまでの磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図１３Ｋである。ただし、図１５Ｋにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）の部分は、図１５Ｃに示すように磁化自由領域１２が磁化反転したことを示している。（２）の部分は、図１５Ｄに示すように第１磁化固定領域１１ａが更に磁化反転したことを示している。（３）の部分は、図１５Ｅに示すように第２磁化固定領域１１ｂが更に磁化反転したことを示している。（４）の部分は、図１５Ｆに示すように第１磁化固定層群６０ａが更に磁化反転したことを示している。（５）の部分は、図１５Ｇに示すように第２磁化固定層群６０ｂが更に磁化反転したことを示している。図１５Ｂ〜図１５Ｇに示された各状態は図１５Ｋの磁化曲線におけるＢ〜Ｇで示された部分に対応する。なお、図１５Ｋは当該磁気メモリ素子７０の磁化曲線のフルループを表している。
【００９６】
ここで、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の初期化方法においては、磁化曲線のマイナーループを利用することを特徴とする。図１５Ａに示される系における具体的なステップは以下に説明される。いま図１５Ｆに示されるような状態が形成された後、＋ｚ方向へ磁界を印加していく。このとき、第２磁化固定領域１１ａは第１磁化固定層群６０ａと弱く強磁性的に結合しているので、この領域が最初に＋ｚ方向に反転する。このときの状態が図１５Ｈで示されている。このとき、磁化自由領域１２と第２磁化固定領域１１ｂの境界に磁壁が形成されることになる。次に＋ｚ方向の磁界を大きくしていくと、磁化自由領域１２において磁壁移動が起こり、磁化自由領域１２も＋ｚ方向に反転する。このときの状態が図１５Ｉで示されている。これによって磁化自由領域１２と第１磁化固定領域１１ａの境界に磁壁が形成されることになる。図１５Ｂ〜図１５Ｆ、図１５Ｈ〜図１５Ｉに示された例においては以上のステップによって磁気メモリ素子７０のメモリ状態の初期化を行う。なお、＋ｚ方向の磁界を更に大きくすると、図１５Ｊに示されるように第１磁化固定領域１１ａにおいても磁壁移動が起こり＋ｚ方向に反転し、さらに＋ｚ方向の磁界を大きくすると、最後には図１５Ｂに示されるような全ての領域が＋ｚ方向に磁化した状態となる。従って、本方法における初期化マージンは、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２が反転する磁界から、第１磁化固定領域１１ａが反転する磁界までの範囲が初期化マージンとなる。
【００９７】
以上に述べたマイナーループを用いた初期化方法における磁化構造の推移を磁化曲線として模式的に表したものが図１５Ｌである。ただし、図１５Ｌにおいて、横軸は外部から印加するｚ方向の磁界（Ｈ）、縦軸は第１磁化自由層１０と磁化固定層群６０からなる系の合成の磁化（Ｍ）を示している。また、図中の（１）〜（４）の部分は、図１５Ｋと同じである。（３）’の部分は、図１５Ｈに示すように第２磁化固定領域１１ｂが磁化反転したことを示している。（１）’の部分は、図１５Ｉに示すように磁化自由領域１２が更に磁化反転したことを示している。（２）’の部分は、図１５Ｊに示すように第１磁化固定領域１１ａが更に磁化反転したことを示している。図１５Ｈ〜図１５Ｊに示された各状態は図１５Ｌの磁化曲線におけるＧ、Ｈで示された部分に対応する。
【００９８】
なお、図１５で説明されたような初期化方法を用いるために、本変形例においては、第１磁化固定層群６０ａと第２磁化固定層群６０ｂの磁気特性は互いに異なっている必要がある。このような磁気特性の違いは、材料、構造（例示：膜厚、形状、結晶構造、積層膜の利用及び膜の組合せ）などの構成の違いによって実現することができる。
【００９９】
（第５の変形例）
図１６Ａ及び図１６Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第５の変形例の構造を模式的に示している。第５の変形例は第１磁化自由層１０の形状に関する。
【０１００】
本実施の形態においては第１磁化自由層１０が情報記憶層の役割を果たし、これまではこの第１磁化自由層１０の形状はｘ−ｙ面内（基板面平行面内）において長方形であるものとし、さらに第１磁化固定領域１１ａは磁化自由領域１２の一方の端部に接続され、第２磁化固定領域１１ｂは磁化自由領域１２の他方の端部に接続されるものとして説明された。しかし、実際にはこの第１磁化自由層１０の形状には任意性があり、また第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、磁化自由領域１２の配置にも任意性がある。
【０１０１】
図１６Ａはその一例を示している。本実施の形態においては、第１磁化自由層１０の第１磁化固定領域１１ａや第２磁化固定領域１１ｂは、その幅が磁化自由領域１２に比べて広くなるように形成されてもよい。図１６Ａでは第２磁化固定領域１１ｂの幅が他の領域に比べて広くなるように形成される例を示している。図１６Ａに示されるように、第１磁化固定領域１１ａや第２磁化固定領域１１ｂは、その幅が磁化自由領域１２に比べて広くなるように形成されることによって、書き込み動作がより安定化される。具体的には、例えば図３Ｂで説明された“０”書き込み動作の際には、磁壁は第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２との境界から、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２との境界へと移動し、停止する。ここで磁壁は正確にこの境界で停止することが好ましいが、図１６Ａに示されるように第２磁化固定領域１１ｂの幅が広く形成されていれば、電流密度が十分に下がるため、当該境界で磁壁はより確実に停止するようになる。
【０１０２】
また図１６Ｂは他の例を示している。本実施の形態においては、第１磁化自由層１０は図１６Ｂに示されるようにＹ字型に形成されてもよい。図１６Ｂにおいては、第１磁化自由層１０はｘ方向に延伸して設けられる磁化自由領域１２と、その一方の端部（−ｘ側）に接続して設けられる第１磁化固定領域１１ａと、同じく一方の端部に接続して設けられる第２磁化固定領域１１ｂにより形成される。すなわち第１磁化自由層１０は三叉路を形成する。この場合も第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は少なくとも一部分において垂直方向で互いに反平行方向に固定される。また磁化自由領域１２の磁化は垂直方向で上下に方向にいずれかをとる。
【０１０３】
第１磁化自由層１０が図１６Ｂに示されるようなＹ字型の形状を有する場合の書き込み方法について図１７Ａ及び図１７Ｂを用いて説明する。図１７Ａは“０”の状態から “１”を書き込む方法を、図１７Ｂは “１”の状態からの “０”を書き込む方法をそれぞれ模式的に示している。なお、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂはそれぞれ上方向、下方向に固定された磁化を有しているものとし、磁化自由領域１２が下方向に磁化した状態を“０”状態、上方向に磁化した状態を“１”状態と定義する。このとき、図１７Ａに示されるような“０”状態において、第１磁化固定領域１１ａと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図１７Ａの点線の方向（磁化自由領域１２から第１磁化固定領域１１ａへ）に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２における第１磁化固定領域１１ａと接続される端部とは反対側へと移動し、図１７Ｂに示されるような“１”状態へと遷移する。同様に図１７Ｂに示されるような“１”状態においては、第２磁化固定領域１１ｂと磁化自由領域１２の境界に磁壁（ＤＷ）が形成される。ここで図１７Ｂの点線の方向（磁化自由領域１２から第２磁化固定領域１１ｂへ）に電流を流せば、電流誘起磁壁移動現象により磁壁（ＤＷ）は磁化自由領域１２における第２磁化固定領域１１ｂと接続される端部とは反対側へと移動し、図１７Ａに示されるような“０”状態へと遷移する。このようにして情報の書き換えが可能である。
【０１０４】
第１磁化自由層１０が図１６Ｂに示されるような三叉路形状に形成されることによって、磁壁が磁化自由領域１２の端部に抜かれることによって書き込みが行われる。このような書き込みプロセスによって、より安定した書き込み動作を実現することができる。
【０１０５】
（第６の変形例）
図１８Ａ〜図１８Ｄ、図１９Ａ〜図１９Ｂ、図２０Ａ〜図２０Ｃ、図２１Ａ〜図２１Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第６の変形例の構造を模式的に示している。第６の変形例は読み出し方法に関する。
【０１０６】
本実施の形態においては情報記憶層である第１磁化自由層１０から情報を読み出すために非磁性層３０とリファレンス層４０が設けられる。これまでの説明ではこの非磁性層３０とリファレンス層４０は第１磁化自由層１０に隣接して設けられる場合について示されてきた。第６の変形例は他の読み出しの形態に関する。
【０１０７】
第６の変形例においては、第２磁化自由層２０が新たに設けられる。また、コンタクト層５０が設けられることが好ましい。また、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、リファレンス層４０はこの順に隣接して設けられ、これらによって磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が形成される。
【０１０８】
また好適には第２磁化自由層２０の重心は第１磁化自由層１０の磁化自由領域１２の重心に対してｘ−ｙ面内でずれて設けられる。いまこのずれの方向を第１の方向と定義する。第２磁化自由層２０、リファレンス層４０は面内方向に磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また第２磁化自由層２０の磁気異方性の方向は面内方向において任意である。一方リファレンス層４０の磁化は実質的に一方向に固定されている。この方向は第１の方向に平行方向であることが望ましい。
【０１０９】
図１８Ａ〜図１８Ｄは、このうち第１の方向がｙ方向、すなわち第１磁化自由層１０の長手方向に垂直な方向である例が示されている。また図２０Ａ〜図２０Ｃは第１の方向がｘ方向、すなわち第１磁化自由層１０の長手方向に平行な方向である例が示されている。
【０１１０】
本変形例によれば、磁化自由領域１２の垂直方向の磁化の方向で記憶された情報を、第２磁化自由層２０、非磁性層３０、リファレンス層４０から構成される面内磁化を有するＭＴＪによって読み出すことができる。その原理を、図１９Ａ及び図１９Ｂ、図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて説明する。なお、図１９Ａ及び図１９Ｂは、図１８Ａ〜図１８Ｄに示されるような構造における各データ状態での磁化の状態を模式的に示しているおり、図２１Ａ及び図２１Ｂは図２０Ａ〜図２０Ｃに示されるような構造における各データ状態での磁化の状態を模式的に示している。
【０１１１】
図１９Ａは“０”状態での各層の磁化の状態が矢印で示されている。図１９Ｂは“１”状態での磁化の状態が矢印で示されている。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、リファレンス層４０の磁化はそれぞれｚ軸の正方向、負方向、ｙ軸負方向に固定されているものとして描かれている。ただし、これら１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、リファレンス層４０の磁化の間には任意性がある。この任意性については自明であるので省略する。
【０１１２】
いま、図１９Ａに示されるような磁化自由領域１２が下方向に磁化した“０”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸負方向を向く。これは第２磁化自由層２０が磁化自由領域１２の下側（ｚ軸負の方向）に配置され、かつ第２磁化自由層２０の重心が磁化自由領域１２に対してｙ軸の負の方向にずれて設けられているためである。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は平行となり、このＭＴＪは低抵抗状態となる。
【０１１３】
一方、図１９Ｂに示されるような磁化自由領域１２が上方向に磁化した“１”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｙ軸正方向を向く。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は反平行となり、このＭＴＪは高抵抗状態となる。かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶された情報は、面内磁化を有する第２磁化自由層２０の磁化に伝達され、面内磁化から構成されるＭＴＪによって読み出すことができる。
【０１１４】
図２１Ａは“０”状態での各層の磁化の状態が矢印で示されており、図２１Ｂは“１”状態での磁化の状態が矢印で示されている。なお、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂ、リファレンス層４０の磁化はそれぞれｚ軸の正方向、負方向、ｘ軸正方向に固定されているものとして描かれているが、これらの間には任意性がある。この任意性については自明であるので省略する。
【０１１５】
いま、図２１Ａに示されるような磁化自由領域１２が上方向に磁化した“０”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の上方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｘ軸正方向を向く。これは第２磁化自由層２０が磁化自由領域１２の上側（ｚ軸正の方向）に配置され、かつ第２磁化自由層２０の重心が磁化自由領域１２に対してｘ軸の正の方向にずれて設けられているためである。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は平行となり、このＭＴＪは低抵抗状態となる。
【０１１６】
一方、図２１Ｂに示されるような磁化自由領域１２が下方向に磁化した“１”状態においては第２磁化自由層２０の磁化は、磁化自由領域１２の下方向の磁化によって生ずる漏れ磁束によってｘ軸負方向を向く。これによって第２磁化自由層２０、リファレンス層４０の磁化は反平行となり、このＭＴＪは高抵抗状態となる。かくして磁化自由領域１２の垂直方向の磁化として記憶された情報は、面内磁化を有する第２磁化自由層２０の磁化に伝達され、面内磁化から構成されるＭＴＪによって読み出すことができる。
【０１１７】
面内磁化によって構成されるＭＴＪでは一般的に高い磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を得ることができる。これによって大きな読み出し信号を得ることができる。なお、第２磁化自由層２０、リファレンス層４０は面内方向の磁気異方性を有する材料により構成される。具体的にはＣｏ−Ｆｅ−Ｂなどが例示される。また非磁性層３０は非磁性体により構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏなどが例示される。
【０１１８】
（第７の変形例）
図２２Ａ及び図２２Ｂ、図２３Ａ及び図２３Ｂは、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第７の変形例の構造を模式的に示している。第７の変形例は、読み出しのための非磁性層３０及びリファレンス層４０と、初期化のための遮断層６５及び磁化固定層群６０の位置関係に関する。
【０１１９】
図１Ａ〜図１Ｃ、図１８Ａ〜図１８Ｄ、図２０Ａ〜図２０Ｃで示された実施の形態においては、読み出しのための非磁性層３０及びリファレンス層４０と、初期化のための遮断層６５及び磁化固定層群６０は、第１磁化自由層１０に対して互いに反対側に設けられるものして描かれているが、本実施の形態においてはこれらの位置関係には任意性がある。図２２Ａ及び図２２Ｂ、図２３Ａ及び図２３Ｂはその変形例を示している。
【０１２０】
図２２Ａ及び図２２Ｂは第７の変形例の一例を示している。読み出しのための非磁性層３０及びリファレンス層４０と、初期化のための遮断層６５及び磁化固定層群６０が、いずれも第１磁化自由層１０に対して同じ側に設けられる例である。図２２Ａはその斜視図を、図２２Ｂは断面図を示しており、図２２Ｂにおいては磁化の方向の例が矢印で示されている。図２２Ａ及び図２２Ｂに示される例においては、非磁性層３０は第１磁化自由層１０の上側の面に隣接して設けられ、リファレンス層４０は非磁性層３０に上側の面に隣接して設けられている。また第１遮断層６５ａは第１磁化固定領域１１ａの上面に隣接して設けられており、第１磁化固定層群６０ａは第１遮断層６５ａの上面に隣接して設けられている。また第２磁化固定層群６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂの上面に隣接して設けられている。
【０１２１】
また図２３Ａ及び図２３Ｂは第７の変形例の別の一例を示している。同じく読み出しのための非磁性層３０及びリファレンス層４０と、初期化のための遮断層６５及び磁化固定層群６０が、いずれも第１磁化自由層１０に対して同じ側に設けられる例である。図２３Ａはその斜視図を、図２３Ｂは断面図を示しており、図２３Ｂにおいては磁化の方向の例が矢印で示されている。図２３Ａ及び図２３Ｂに示される例においては、第１遮断層６５ａは第１磁化固定領域１１ａの上面に隣接して設けられており、第１磁化固定層群６０ａは第１遮断層６５ａの上面に隣接して設けられている。また第２磁化固定層群６０ｂは第２磁化固定領域１１ｂの上面に隣接して設けられている。さらにコンタクト層５０が第２磁化固定層群６０ｂの上面に隣接して設けられており、この上に第２磁化自由層２０、非磁性層３０、リファレンス層４０がこの順に隣接して設けられている。
【０１２２】
このように読み出しのための非磁性層３０及びリファレンス層４０と、初期化のための遮断層６５及び磁化固定層群６０の位置関係には任意性があり、第１磁化自由層１０に対して同じ側に設けられてもよく、異なる側に設けられてもよい。
【０１２３】
（第８の変形例）
図２４Ａ及び図２４Ｂ、図２５Ａ及び図２５Ｂ、図２６は、本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０の第８の変形例の構造を模式的に示している。第８の変形例は第１磁化自由層１０における磁壁のピニングサイトに関する。
【０１２４】
本発明の実施の形態に係る磁気メモリ素子７０においては、情報は磁壁の位置として記憶される。従って記憶された情報の安定性は、磁壁のピニングサイトのピンポテンシャルの深さに依存する。これまでに述べてきた実施の形態においては、積極的には磁壁のピニングサイトを形成しない例が示されてきたが、本発明の実施の形態においては第１磁化自由層１０に磁壁がピニングされるサイトを積極的に形成してもよい。図２４Ａ及び図２４Ｂ、図２５Ａ及び図２５Ｂ、図２６はその変形例を示している。
【０１２５】
図２４Ａ及び図２４Ｂ、図２５Ａ及び図２５Ｂは第８の変形例の一例を示しており、磁壁のピニングサイトとして、第１磁化自由層１０の断面に段差が形成される例を示している。図２４Ａ、図２５Ａは斜視図を、図２４Ｂ、図２５Ｂは断面図をそれぞれ示している。図２４Ａ及び図２４Ｂ、図２５Ａ及び図２５Ｂ、に示されるように第１磁化自由層１０に段差を形成することによって、この段差の位置が磁壁のピニングサイトとなり、記憶された情報の安定性をより高めることができる。なお、図２５Ａ及び図２５Ｂに示されているように、このような段差を形成するために、段差調整層５５を設けてもよい。
【０１２６】
また図２６は第８の変形例の他の一例を示しており、磁壁のピニングサイトとして、第１磁化自由層１０の平面形状に変調が加えられる例を示している。図２６の例においては、この変調としてノッチＮが設けられている。図２６に示されるように第１磁化自由層１０にノッチＮが設けられることによって、このノッチＮの位置が磁壁のピニングサイトとなり、記憶された情報の安定性をより高めることができる。
【０１２７】
以上に示される本実施の形態（変形例を含む）の活用例として、携帯電話、モバイルパソコンやＰＤＡに使用される不揮発性の半導体メモリ装置や、自動車などに使用される不揮発性メモリ内蔵のマイコンが挙げられる。
【０１２８】
以上、本発明の実施の形態（変形例を含む）に示されるように、情報の書き込み方法に電流誘起磁壁移動を利用し、かつ磁壁移動が起こる層が垂直磁気異方性を有する材料から構成されるＭＲＡＭにおいて、大きな初期化マージンが得られるような構造、及び初期化方法を提供することができる。また、情報の書き込み方法に電流誘起磁壁移動を利用し、かつ磁壁移動が起こる層が垂直磁気異方性を有する材料から構成され、かつ大きな初期化マージンが得られるＭＲＡＭにおいて、製造がより容易な構成を提供することが可能となる。
【０１２９】
以上、実施の形態（変形例を含む）を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。
【０１３０】
この出願は、２００９年１０月２６日に出願された特許出願番号２００９−２４５９４７号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図８Ｉ】
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【図８Ｊ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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【図１５Ｈ】
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【図１５Ｉ】
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【図１５Ｊ】
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【図１５Ｋ】
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【図１５Ｌ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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